Wärmetauscher aus Kunststoff – Ein Schritt in die Zukunft

Mit Hilfe von numerischer Strömungssimulation (CFD) können höchst effiziente Kunststoffwärmetauscher entwickelt werden, die mindestens so leistungsfähig sind wie Wärmetauscher aus Metall.

(industrietreff) - Beliebig formbar, flexibel anpassbar, leicht, korrosions- und chemikalienfest, kostengünstig - diese Eigenschaften von Kunststoffen machen sie geradezu prädestiniert als Basismaterial von Wärmetauschern. Warum werden Wärmetauscher dann immer noch fast ausschließlich aus Metallen hergestellt?

Einer der entscheidenden Gründe ist natürlich die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen. Geht man davon aus, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials und eine große Tauscherfläche einen effizienten Wärmetauscher ausmachen, so spricht dies tatsächlich gegen den Einsatz von Kunststoffen. Dass dies aber nicht die entscheidenden Kriterien sind, lässt sich durch eine nähere Betrachtung der einfachen physikalischen Zusammenhänge von Wärmetauschern zeigen.

Beim Wärmetausch wirkt nicht die nominelle Fläche sondern nur eine effektive, nämlich diejenige, die tatsächlich wirksam überströmt wird. Durch gestörte Strömungsverläufe des Tauschmediums ist die Fläche, die wirklich aktiv ist meist um einiges geringer als die zur Verfügung stehende Gesamtfläche. Das lässt sich schon bei den gängigsten Tauscherformen, den Plattentauschern und den Röhrentauschern zeigen. Außerdem ist nicht die Wärmeleitfähigkeit entscheidend, sondern der Einfluss der Wärmeübergänge, also wie schnell die Wärme von der warmen Seite in die Trennwand und auf der kalten Seite wieder aus der Trennwand heraus transportiert werden kann. Dieser Prozess hängt aber einzig von den Strömungsverhältnissen auf beiden Seiten ab. Aus diesen Zusammenhängen lässt sich eindeutig schließen: Die Strömung ist entscheidend. Ein gleichverteilter, ungestörter Strömungsverlauf macht die Effektivität eines Wärmetauschers aus. Die optimale Strömung wiederum hängt maßgeblich von der Geometrie der Oberfläche ab.

Kunststoffoberflächen sind beliebig formbar. Deshalb können sie perfekt an die idealen Strömungsverhältnisse angepasst werden, um maximale Wärmeübergänge zu ermöglichen. Solche feinabgestimmten Geometrien lassen sich mit Metallen meistens nur mit hohem Aufwand oder gar nicht realisieren. Auch dreidimensionale Optionen sind mit Kunststoffen erschließbar, was mit Metallen auf Grund der komplizierten Verbindungstechnik (Löten, Schweißen etc.) fast nicht möglich ist.

Mittels Strömungssimulation (CFD) können strömungsoptimierte Oberflächengeometrien entwickelt und optimiert werden. Computergestützte Strömungssimulation macht den Verlauf der Strömung bis ins kleinste Detail sichtbar und zeigt unter Berücksichtigung aller physikalischer Gegebenheiten u.a. Wirbelbildung, Totzonen und ggf. die Ausbildung von Grenzschichten auf. Zudem können unterschiedliche Designvarianten schon im Vorfeld systematisch auf ihre Leistung überprüft werden (Abbildung).

Durch die Möglichkeiten, die modernes CFD-Engineering bietet, ist Kunststoff das Material der Zukunft für effiziente Wärmetauscher. Kunststoffwärmetauscher können nicht nur in Bereichen eingesetzt werden in denen Chemikalienbeständigkeit gefordert wird. Sie sind auch in den Industriezweigen eine nachhaltige Lösung, in denen der Trend zur Miniaturisierung voranschreitet und das Ziel besteht immer kleinere, leichtere und dabei effizientere Produkte bzw. Anlagen zu entwickelt.

Eine große Rolle spielt zukünftig auch die Möglichkeit Wärmetauscher aus Kunststoff direkt in andere Bauteile zu integrieren. Das spart Bauteile und Gewicht, Halterungs- und Vibrationsproblematiken verschwinden und die Gesamtfunktionalität erhöht sich deutlich. Beispielsweise könnte ein Kühler direkt in den Stoßfänger eines Autos eingespritzt werden. In dieser Hinsicht sind den Ideen kaum Grenzen gesetzt.

Beliebig formbar, leicht, korrosions- und chemikalienfest, kostengünstig, integrierbar: strömungsoptimierte Wärmetauscher aus Kunststoff sind ein Schritt in die Zukunft.

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Datum: 07.10.2014 - 13:24 Uhr
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